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Girdler-Sulfid-Prozess
Der Girdler-Sulfid-Prozess, auch bekannt als GS-Verfahren, ist eine Methode zur Anreicherung von Deuterium (\(^2H\), D) aus natürlich vorkommendem Wasser. Deuterium ist ein stabiles Isotop des Wasserstoffs mit einem zusätzlichen Neutron im Kern, und es ist in Form von schwerem Wasser (\(D_2O\)) oder als \(HDO\) (wenn ein H-Atom durch ein D-Atom ersetzt wird) vorhanden. Der Prozess nutzt die chemischen Eigenschaften von Schwefelwasserstoff (\(H_2S\)) zur Isotopentrennung.
Der wesentliche Schritt im Girdler-Sulfid-Prozess beruht auf der chemischen Austauschreaktion zwischen Wasserstoffisotopen in Wassermolekülen (\(H_2O\), \(HDO\), \(D_2O\)) und Schwefelwasserstoff (\(H_2S\)). Der "Atomaustausch" geschieht durch folgende Gleichgewichtsreaktion:
\(HDO + H_2S \rightleftharpoons H_2O + HDS\)
Das Verfahren basiert darauf, dass bei einem bestimmten Temperaturbereich die Bildung von \(HDS\) aus \(H_2S\) und \(HDO\) bevorzugt wird, während gleichzeitig aus \(H_2O\) und \(HDS\) die Rückbildung zu \(HDO\) und \(H_2S\) weniger bevorzugt ist. Dies führt zu einer Anreicherung von \(D\)-Atomen in der Form von \(HDO\) oder \(D_2O\) und zu einer Abreicherung im \(H_2O\).
Die Auswahl von Schwefelwasserstoff als Reagens ist vor allem auf die kinetischen und thermodynamischen Eigenschaften der Schwefelwasserstoff-Wasser-Systeme zurückzuführen. \(H_2S\) löst sich in Wasser und kann leicht mit Wasser reagieren, was zu einer effizienten Isotopenaustauschreaktion führt.
Die eigentliche Trennung erfolgt in einer Serie von Austauschkolonnen, in denen Wasser und \(H_2S\) in Gegenstrom geführt werden. Durch dieses Verfahren wird \(HDS\) in einer Kolonne angereichert, während das leichtere Isotop \(H_2O\) in die andere Richtung wandert. Über mehrere Austauschzyklen kann eine deutliche Anreicherung des schwereren Isotops \(D\) erreicht werden.
Der Girdler-Sulfid-Prozess findet Einsatz in der Produktion von schwerem Wasser, welches ein wichtiger Moderator in Kernreaktoren ist, die natürliche Uranvorkommen als Brennstoff nutzen. Diese Reaktoren erfordern schweres Wasser, um die Neutronen zu verlangsamen, ohne sie zu absorbieren, anders als normales Wasser, welches als Moderator in Leichtwasserreaktoren verwendet wird, die angereichertes Uran oder Plutonium als Brennstoff nutzen.
Elektrolyse spielt in diesem speziellen Prozess keine Rolle, da es sich vorrangig um eine chemische Gleichgewichtsreaktion handelt und nicht um eine durch elektrischen Strom angetriebene Zerlegung von Molekülen. Die Effizienz des Girdler-Sulfid-Prozesses hängt stark von den Betriebsbedingungen ab, wie etwa der Temperatur und dem Druck der Reaktion sowie der Konstruktion und Effizienz der Austauschkolonnen.
